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研制高稳定温柱的关键技术
点击次数：489 发布时间：2008/4/22 9:06:39
摘要：国产温柱低档的根本原因，是买不来精确温控技术，只能采用传统PID控制，导致温温度波动较大、复现性较差。采用SRFC-I型超精模糊控制 模块控制 温柱程控升温，使温柱温度波动和复现性能超过水平。
一．问题的提出
分析仪器工作者知道，温柱的温度波动严重影响分析仪器的复现性和稳定性；也知道温控技术能够有效的减小温柱的温度波动。然而，由于我国买不来温控技术，只能沿用传统PID控制，造成温柱的温度波动较大，复现性和稳定性很差，分析仪器低档，参见图1。
图1 PID控制温柱程控升温曲线
二． PID控制温柱产生波动的原因
研究表明，造成国产温柱温度波动有两个原因，一个是多段PID造成的动态温度波动；另一个是积分环节造成的静态温度波动。
1. 动态温度波动
传统控制能够用精确数学模型描述线性定常时不变系统。但是，对于非线性时变的温控系统，还需要采用削足适履式的近似工程手段，才能用概略数学模型表达。
概略数学模型仅在一定的环境条件下有使用价值，而在大多数实际环境中是失真的，由此极大的限制了传统控制理论的实用性。比如，传统PID的控制精度限制在±0.1%；再比如，PID控制不能难控被控对象（即大非线性、大时变性和不确定性系统）。传统控制理论面临着严峻的挑战。
温柱程控升温系统的开环放大倍数K和惯性时间T是时变参数，用单参数PID不能保证全量程（室温—200℃）的稳定性，温度波动较大，温柱的复现性和稳定性都很差。为此，需要采用多段PID控制适应开环放大倍数K和惯性时间T的参数变化，提高系统的稳定性。遗憾的是，多段PID控制在置换PID参数时引发了干扰，同样会造成温度波动（动态温度波动），同样使温柱的复现性和稳定性很差，参见图1。
2. 静态温度波动
控制工作者知道，控制系统有两种静态收敛形式：一种是双边收敛（等幅波动），另一种是单边收敛（单边趋进）。研究表明，采用了积分环节的PID只能是双边收敛（等幅波动），控制波动难以突破±0.1%。
温柱程控升温系统是时变参数系统，采用PID控制的静态温度波动性能更差，目前 ，国产温柱的静态温度波动一般大于± 1%。
三．SRFC-I型超精模糊控制模块
2007年4月，北京泛控科技有限公司 自主产权的SRFC—I型超精模糊控制模块（简称I型模块）参与国家气相色谱仪产业化项目和质谱仪产业化项目，用于温柱程控升温控制，性能十分优秀，如下：
1． 支撑开放式温柱结构创新
I型模块适宜精确控制非线性、时变性和不确定性系统，支撑温柱程控升温系统采用开放式温柱结构（太极公司为便携式气相色谱而专门设计的温柱），如图2所示。
图2 开放式温柱结构
开放式温柱结构的有三大优点：
一是减小50%加热器功率；
二是减小50%的体积；
三是抗振动。
2． 支撑温柱高性能
I型模块采用函数化模糊控制和位置学习 的方法，控制开放式 结构的温柱的性能十分优秀，如下：
² 稳定性：无波动（单边趋进），超过水平，参见图3；
² 升温速度：≥20℃/min，参见图3；
² 复现性：复现差≤0.01℃，超过水平，参见图3。
图3
I型模块控制开放式温柱的响应曲线
I型模块控制开放式温柱的响应曲线
四．结论
1. 国产温柱性能低的根本原因是缺少精确温控技术，依然采用PID控制使温柱温度波动太大（≥±1%），复现性和稳定性低所至。
2. 多段PID控制温柱，在换参数时产生动态温度波动；
3. PID控制温柱中的积分环节产生静态波动；
4. SRFC—I型超精模糊控制模块控制开放式温柱，复现性和稳定性性能超过水平。
原创作者：武汉天罡科技发展有限责任公司
